بهبود خواص مکانیکی نانولوله های کربنی

یک بخش نانولوله کربنی با عیوب برجسته

داده های پروژه
نویسندگان	الکس پنلینگتون
محل	کینگستون ، کانادا
مانیفست OKH	دانلود

نانولوله‌های کربنی ^W (CNT) از زمان کشف آنها در اوایل دهه 1990 در خط مقدم فناوری مواد قرار گرفته‌اند. تحقیقات گسترده ای بر روی آنها برای کمتر از دو دهه انجام شده است و بسیاری از خواص مکانیکی، الکتریکی، نوری و انتقال الکترون را نشان می دهد. یکی از زمینه هایی که هنوز می توان تا حد زیادی بهبود داد، استحکام عملی و خواص مکانیکی نانولوله های کربنی است. به عنوان مثال، ارزش نظری استحکام کششی CNT ها بین 140 گیگا پاسکال تا 177 گیگا پاسکال تخمین زده می شود. با این حال به دلیل نقص در مواد، تنها مقادیر عملی تا 63GPa به دست آمده است. یکی دیگر از چالش‌های اصلی پیاده‌سازی نانولوله‌های کربنی، ساخت ساختارهای کاربردی در مقیاس کلان بوده است. بنابراین می توان دید که هنوز پتانسیل زیادی برای بهبود خواص مکانیکی مواد ^W نانولوله های کربنی وجود دارد.

لطفاً توجه داشته باشید که این صفحه به خواص مکانیکی نانولوله‌های کربنی و نحوه بهبود آنها می‌پردازد، نه چگونگی بهبود روش‌های سنتز. برای نگاهی عمیق به تکنیک‌های مختلف سنتز نانولوله‌های کربنی و چگونگی بهبود آنها، لطفاً صفحه سنتز نانولوله‌های کربنی را مشاهده کنید .

فهرست

1 ویژگی های مکانیکی
- 1.1 نانولوله های کربنی تک جداره
- 1.2 نانولوله های کربنی چند جداره
2 فرآیندهای بهبود مواد
3 کاربردهای مکانیکی
- 3.1 ساختاری
- 3.2 انرژی
4 منابع

ویژگی های مکانیکی

تصاویری از نانولوله های کربنی در حال آزمایش توسط یو و همکاران. این یک آزمایش کششی ساده بود که در مقیاس نانو در میکروسکوپ الکترونی انجام شد

خواص مکانیکی نانولوله‌های کربنی با دو اندازه‌گیری اصلی، مدول یانگ ^W و استحکام کششی ^W تعریف می‌شود (نانولوله‌های کربنی به ترتیب سخت‌ترین و قوی‌ترین موادی هستند که هنوز کشف نشده‌اند). CNT ها به دو گروه مختلف تقسیم می شوند، CNT های تک جداره و CNT های چند جداره، زیرا هر یک از این گروه ها خواص مکانیکی و مکانیسم های خرابی متفاوتی دارند. با این حال، خواص مکانیکی همه نانولوله‌های کربنی نتیجه مستقیم ساختار پیوند منحصربه‌فرد آن‌ها است که با هیبریداسیون مداری ^W . نانولوله ها به طور کامل از پیوندهای sp ² تشکیل شده اند ، ساختار پیوندی که حتی قوی تر از ساختار پیوند sp ³ موجود در الماس است. از نظر مفهومی، نانولوله‌های کربنی به سادگی ورقه‌هایی از گرافن ^W هستند که به صورت یکپارچه برای تشکیل یک استوانه نورد می‌شوند. ^[1] از لحاظ نظری، استحکام کششی و مدول جوان نانولوله‌های کربنی به ترتیب بیش از 140GPa و ~1TPa است. ^[2] در حالی که ما به طور تجربی مدول جوان را برای رسیدن به مقدار ترا پاسکال و حتی فراتر از آن یافتیم، هیچ نانولوله ای از هیچ نوع قدرت عملی حتی نزدیک به مقدار نظری یافت نشد. این به شدت به دلیل نقص در مواد ایجاد می شود. ^[1] نقص در مواد می تواند استحکام کششی را تا حدود 85٪ کاهش دهد. معمولاً مشخص است که یک زنجیره به اندازه ضعیف ترین حلقه آن قوی است. این پدیده در مورد CNT ها صدق می کند، آنها فقط به اندازه ضعیف ترین بخش خود قوی هستند.

از نظر مکانیکی نیز مهم است که بدانیم نانولوله‌های کربنی بسته به نوع CNT چگالی بسیار کمی در حدود 1.3 تا 1.4 گرم بر سانتی‌متر مکعب دارند. ^[3] این بدان معنی است که آنها نیز یک ماده بسیار سبک هستند، یکی دیگر از ویژگی های مطلوب تقریباً در همه شرایط. نه تنها این، بلکه خواص جالب انرژی جنبشی ^W نانولوله‌ها، آنها را برای مهندسان مکانیک ارزشمندتر می‌کند. از آنجایی که این لوله‌ها توخالی هستند، خاصیت جذب انرژی شگفت‌انگیزی دارند که در آن لوله‌ها به‌طور الاستیک خم می‌شوند و قبل از خم شدن به موقعیت اولیه، انرژی جنبشی را به انرژی پتانسیل تبدیل می‌کنند. نانولوله‌های کربنی چند جداره نیز دارای ویژگی تلسکوپی قابل توجهی هستند که در آن نانولوله داخلی ممکن است به صورت خطی یا چرخشی با اصطکاک تقریباً صفر بلغزد.

نانولوله های کربنی تک جداره

انواع مختلف SWNT ها به همراه نمای مسطح بردارهای کایرال مختلف در این تصویر قابل مشاهده است.

پذیرفته‌شده‌ترین مقادیر تجربی قدرت و مدول توسط یو و همکارانش یافت شد. در سال 2000 با انجام اندازه گیری تنش-کرنش بر روی SWNT های جداگانه در داخل یک میکروسکوپ الکترونی. این آزمایش مقادیر مدول را در محدوده 0.32 تا 1.47 TPa و استحکام کششی بین 10 تا 52 GPa را پیدا کرد. آنها همچنین توانستند مشاهده کنند که مکانیسم شکست در SWNT ها تنها شکافتن محیط بسته است. ^[2]

نانولوله های کربنی چند جداره

یک توصیف بصری از MWNT ها، همانطور که می بینید چندین SWNT درون یکدیگر وجود دارد

نانولوله های کربنی چند جداره با قطری بین 2 تا 100 نانومتر شناخته شده اند. از نظر مفهومی، آنها فقط چند ورقه از گرافن هستند که به دور یکدیگر پیچیده شده اند و استوانه های بدون درز متعددی را در اطراف یکدیگر تشکیل می دهند. راه دیگر برای تجسم این موضوع، قرار دادن چندین نانولوله کربنی تک جداره در داخل یکدیگر است. خواص این نانولوله ها می تواند به طور قابل توجهی با SWNT ها متفاوت باشد، تغییری که در جنبه های الکتریکی، حرارتی و شیمیایی برجسته تر است.

پذیرفته‌شده‌ترین مقادیر تجربی قدرت و مدول دوباره توسط یو و همکارانش یافت شد. در سال 2000 با انجام اندازه گیری تنش-کرنش بر روی MWNT های جداگانه در داخل یک میکروسکوپ الکترونی. آنها مقادیر مدول تجربی را در محدوده 0.27 تا 0.95 TPa و استحکام کششی بین 11 تا 63 GPa را یافتند. آنها همچنین توانستند مشاهده کنند که مکانیسم شکست "شمشیر در غلاف" در MWNT وجود دارد. این زمانی است که نانولوله بیرونی به صورت عمود بر تنش کششی اعمال شده از کار می افتد. این باعث یک عمل تلسکوپی می شود که در آن دیواره بیرونی قبل از شروع از کار افتادن لایه بعدی جدا می شود. ^[2]

فرآیندهای بهبود مواد

بزرگترین مشکل نانولوله‌های کربنی (بدون توجه به اینکه هنوز گران هستند و در مقادیر کم هستند) این است که بسیار کوچک هستند و به سختی به یکدیگر متصل می‌شوند. این بدان معناست که در حال حاضر در حالی که آنها در علم نانو بسیار امیدوارکننده هستند که شامل مواردی مانند ترانزیستورها و سایر کاربردهای الکتریکی، نوری و حرارتی است، اما در سطح ماکروسکوپی تقریباً بی فایده هستند، چیزی که مهندسان مکانیک در درجه اول با آن سروکار دارند. به عنوان مثال، در حالی که یک نانولوله کربنی ممکن است استحکام کششی 63 گیگا پاسکال (بیش از یک مرتبه بزرگی بالاتر از قوی ترین فولاد) داشته باشد، نیروی مورد نیاز برای شکست آن بسیار کمتر است زیرا سطح مقطع آن بسیار کوچکتر از فولاد معمولی است. برای بهبود مقادیر عملی، می‌توانیم به چندین تکنیک مختلف نگاه کنیم که جنبه‌های مکانیکی مختلف نانولوله کربنی را بهبود می‌بخشد.

کنترل نقص

یک بخش نانولوله کربنی با عیوب برجسته

از نظر مفهومی کنترل نقص کریستالوگرافی ^W ساده ترین تکنیک بهبود برای درک است. استحکام و سفتی یک نانولوله (که به طور قابل بحث مهم ترین خواص مکانیکی نانولوله های کربنی است) به شدت به غلظت عیب و برهمکنش عیب-عیب بستگی دارد. ^[4] بنابراین ساده است، اگر ما تمام عیوب یک نانولوله کربنی را حذف کنیم، استحکام و مدول جوان را به شدت بهبود خواهیم داد. متأسفانه این کار به این آسانی نیست، اکثر عیوب در طول سنتز و به طور تصادفی به دلیل جو، فشار و دما در طول تشکیل ایجاد می شوند. ^[3] نه تنها این، بلکه امیدوارکننده‌ترین تکنیک سنتز صنعتی، رسوب‌دهی بخار شیمیایی (CVD) از روش‌های کاتالیزوری استفاده می‌کند که بی‌نظمی و تعداد عیوب را افزایش می‌دهد. این بدان معناست که در حالی که CVD قادر است نانولوله‌های بیشتری را با راندمان بالاتر تولید کند، لوله‌هایی با کیفیت مکانیکی پایین‌تر تولید می‌کند. ^[3] برخی تحقیقات در مورد CVD بدون کاتالیزور انجام شده است، با این حال آنها نیاز به پس پردازش دارند و هنوز نانولوله هایی با کیفیتی مشابه با روش‌های سنتز ابلیشن لیزری و تخلیه قوس تولید نمی‌کنند.

چندین نوع نقص در لینک زیر قابل مشاهده است، در این مقاله به بررسی اتصال نانولوله های کربنی با عیوب زوجی
اتصال نانولوله های کربنی با عیوب زوج پنج ضلعی-هپتاگونی می پردازیم.

میان نویسی

خواص مکانیکی کم حجم نانولوله‌های کربنی تا حدودی به دلیل دسته‌هایی با قطر 10 تا 50 نانومتر است که فقط به‌طور ضعیفی توسط برهمکنش‌های واندروالس در نقاط اتصال محدود می‌شوند. به همین دلیل استفاده از آنها به صورت ماکروسکوپی دشوار است. برای اعمال این امر در سطح ماکروسکوپی، نانولوله های کربنی چند سالی است که به عنوان عوامل تقویت کننده در پلیمرها و کامپوزیت ها استفاده می شوند. در حالت ایده آل، هر بار وارد شده به پلیمر خارجی یا ماتریس کامپوزیت به تنش کششی در نانولوله ها منتقل می شود. این روش مدول یانگ را برای MWCNT ها و SWCNT ها به ترتیب 1.8 و 3.5 افزایش داده است. با این حال اخیراً ثابت شده است که روش معکوس بین پلیمری می تواند خواص مواد CNT حجیم را بهبود بخشد. نشان داده شده است که مواد بین پلیمری در مدول یانگ و استحکام کششی به ترتیب با فاکتورهای ~3 و~9 بهبود یافته است. ^[5] تصور می‌شود که ماهیت این تقویت‌کننده ناشی از درهم آمیختن نانولوله‌ها توسط رشته‌های پلیمری است. پلیمر در داخل و خارج نانولوله رشد می کند و سپس پلیمر تنش را از یک نانولوله به نانولوله بعدی منتقل می کند. این تقویت اضافی در محل اتصال نقش بزرگی در مقیاس ماکروسکوپی دارد. ^[5]

نخ زنی

نخ نانولوله های کربنی، همانطور که مشاهده می شود، چندین نانولوله کربنی در حال چرخش به یک فیبر واحد هستند.

نخ نانولوله های کربنی به طور قابل بحث بزرگترین پیشرفت در 5 سال گذشته برای بهبود خواص ماکروسکوپی CNT ها است. این افزایش انرژی شگفت انگیز را فراهم می کند. با چرخاندن نانولوله‌ها به هم می‌توانید ضخامت کلی را افزایش دهید و به نانولوله‌ها انگیزه بزرگ‌تری بدهید به این معنی که می‌توانند انرژی بیشتری جذب کنند. این یک پیشرفت بزرگ برای کاربردهای جنبشی مانند زره ضد گلوله است. همچنین به شما امکان می دهد یک ساختار کلان از نانولوله ها بسازید به این معنی که می توانید چگالی کم و استحکام بالا را حفظ کنید. درک فرآیند ریسندگی از نظر مفهومی دشوار نیست، زیرا مانند نخ معمولی (ریسیدن الیاف کوچک به الیاف بزرگتر) است. قسمت سخت این است که آن را در چنین مقیاس کوچکی اعمال کنید بدون اینکه لوله ها در هم پیچیده و در هم تنیده شوند. بسیاری از محققان هنوز در حال بهره برداری از روش هایی برای "تنظیم دقیق" فرآیند برای به دست آوردن قدرت، ساختار و بهره وری بهتر هستند. ^[6]

یک شرکت CSIRO در استرالیا در این زمینه پیشگام است و با ایجاد نخ های نانولوله کربنی با کیفیت بالا موفقیت زیادی داشته است، لطفاً به وب سایت زیر بروید تا در مورد تکنیک های نوآورانه بیشتر بدانید و ویدیوهای آنها را در مورد فرآیند چرخش آنها تماشا کنید:
CSIRO فیلم نانولوله کربنی نخ
ریسی نانولوله های کربنی

آنیل کردن

بازپخت به عنوان روشی برای از بین بردن عیوب استفاده می شود، اما بر خلاف کنترل عیب، آنیل کردن پس از اینکه مواد حجیم قبلاً ساخته شده است برای حذف برخی از عیوب ایجاد شده در طول سنتز اعمال می شود. این روش معمولاً روی نانولوله‌های ایجاد شده توسط CVD استفاده می‌شود، اما می‌توانید آن را برای هر نوع نانولوله‌ای اعمال کنید. معمولاً بعد از CVD برای بهبود خواص نانولوله‌های با کیفیت پایین‌تر ایجاد شده توسط CVD استفاده می‌شود. فرآیند بازپخت اجازه می دهد تا عیوب شبکه را متناسب با دما و زمان بازپخت حذف کنید. ^[7]

کاربردهای مکانیکی

کاربردهای بالقوه این ماده خارق العاده واقعاً بی پایان است. تقریباً در هر موقعیت مهندسی می توان از آنها برای بهبود خواص استفاده کرد.

ساختاری

آسانسور فضایی: نانولوله های کربنی می توانند به عنوان کابل در آسانسورهای فضا استفاده شوند
مواد کامپوزیتی تقویت‌شده: ما می‌توانیم استحکام کششی مواد کامپوزیت را با قرار دادن نانولوله‌ها در داخل مواد بهبود دهیم.
هوافضا: کاغذ نانولوله کربنی با وزن سبک فوق العاده قوی می تواند به عنوان پوسته بیرونی هواپیما استفاده شود.

انرژی

یاتاقان ها: ضریب اصطکاک بین نانولوله های تو در تو در نانولوله های کربنی چند جداره به طور موثر صفر است، این بدان معنی است که می توانیم چرخشی ایجاد کنیم که به طور موثر هرگز انرژی را از دست نخواهد داد.
چرخ لنگر: چرخ لنگر ساخته شده از نانولوله های کربنی به طور بالقوه می تواند انرژی را با چگالی نزدیک به سوخت های فسیلی معمولی ذخیره کند. از آنجایی که می توان انرژی را به شکل بسیار کارآمدی به شکل الکتریسیته به چرخ فلایویل ها اضافه کرد و از آن ها حذف کرد، این ممکن است راهی برای ذخیره برق ارائه دهد.
زره ضد گلوله: 0.6 میلی متر نانولوله کربنی می تواند گلوله را به طور کامل متوقف کند. آنها همچنین بسیار سبک تر از زره های معمولی مانند کولار و صفحات سرامیکی هستند.

منابع

↑^{پرش به بالا:1.0} ^1.1 کلمن، جاناتان ن. خان، عمر؛ بلاو، ورنر جی. Gun'ko، Yurii K. کوچک اما قوی: مروری بر خواص مکانیکی کامپوزیت های نانولوله کربنی-پلیمر، کربن، 2006، 44، 9، 1624-1652
↑^{پرش به بالا:2.0} ^2.1 ^2.2 مین فنگ یو، اولگ لوری، مارک جی. دایر، کاترینا مولونی، توماس اف. کلی، رادنی اس. روف. استحکام و مکانیسم شکست نانولوله های کربنی چند جداره تحت بار کششی. 28 ژانویه 2000، VOL 287 SCIENCE، www.sciencemag.org
↑^{پرش به بالا:3.0} ^3.1 ^3.2 J.-P. Salvetat∗، J.-M. Bonard، NH Thomson، AJ Kulik، L. Forro ́، W. Benoit، L. Zuppiroli، خواص مکانیکی نانولوله های کربنی. دریافت: 17 اردیبهشت 1378 / پذیرش: 18 اردیبهشت 1378 / انتشار آنلاین: 29 تیر 1378
↑ C. Shet، N. Chandra و S. Namilae; برهمکنش عیب-عیب در نانولوله های کربنی تحت بارگذاری مکانیکی. مکانیک Mateiah و Struciuies پیشرفته. 12: 55-65.2005 Copyrighl © Tiylor & Francis Inc. ISSN: I.S37-6494 print/1537-6532 online DOf: 10.108O/1537649049CM92089
↑^{پرش به بالا:5.0} ^5.1 کلمن، جاناتان ن. بلاو، ورنر جی. دالتون، آلن بی، مونوز، ادگار؛ کالینز، استیو؛ کیم، بوگ جی. رازال، جوسلیتو؛ سلویج، مایلز; ویرو، گیلرمو؛ باگمن، ری اچ; بهبود خواص مکانیکی ورق های نانولوله کربنی تک جداره با استفاده از چسب های پلیمری. Appl.Phys.Lett., 2003, 82, 11, 1682-1684, AIP
↑ Tran,CD; هامفریز، دبلیو. اسمیت، اس ام; هوین، سی. لوکاس، اس. بهبود استحکام کششی نخ های نانولوله کربنی با استفاده از فرآیند ریسندگی اصلاح شده. کربن، 2009، 47، 11، 2662-2670
↑ S. Musso، M. Giorcelli، M. Pavese، S. Bianca، M. Rovere، A. Tagliaferro; بهبود خواص فیزیکی و مکانیکی ماکروسکوپی لایه‌های ضخیم نانولوله‌های کربنی چند جداره با عملیات بازپخت. در دسترس آنلاین 3 دسامبر 2007

داده های صفحه
قسمتی از	MECH370
کلید واژه ها	نانوتکنولوژی ، پردازش مواد
SDG	SDG09 نوآوری و زیرساخت صنعت
نویسندگان	الکس پنلینگتون
مجوز	CC-BY-SA-3.0
سازمان های	دانشگاه کوئینز
زبان	انگلیسی (en)
ترجمه ها	چینی ها
مربوط	پیوند 1 زیر صفحه ، 3 صفحه اینجا
تأثیر	759 بازدید از صفحه
ایجاد شده	9 نوامبر 2009 توسط الکس پنلینگتون
اصلاح شده	28 فوریه 2024 توسط Felipe Schenone
استناد به عنوان	الکس پنلینگتون (2009–2024). "بهبود خواص مکانیکی نانولوله های کربنی" . Appropedia . بازبینی شده در 6 آوریل 2024 .
پرس و جوهای API	اساسی ، معنایی ، html ، فایل‌ها ، موارد دیگر

[1] {پرش به بالا:1.0} ^1.1 کلمن، جاناتان ن. خان، عمر؛ بلاو، ورنر جی. Gun'ko، Yurii K. کوچک اما قوی: مروری بر خواص مکانیکی کامپوزیت های نانولوله کربنی-پلیمر، کربن، 2006، 44، 9، 1624-1652

[2] {پرش به بالا:2.0} ^2.1 ^2.2 مین فنگ یو، اولگ لوری، مارک جی. دایر، کاترینا مولونی، توماس اف. کلی، رادنی اس. روف. استحکام و مکانیسم شکست نانولوله های کربنی چند جداره تحت بار کششی. 28 ژانویه 2000، VOL 287 SCIENCE، www.sciencemag.org

[3] {پرش به بالا:3.0} ^3.1 ^3.2 J.-P. Salvetat∗، J.-M. Bonard، NH Thomson، AJ Kulik، L. Forro ́، W. Benoit، L. Zuppiroli، خواص مکانیکی نانولوله های کربنی. دریافت: 17 اردیبهشت 1378 / پذیرش: 18 اردیبهشت 1378 / انتشار آنلاین: 29 تیر 1378

[4] C. Shet، N. Chandra و S. Namilae; برهمکنش عیب-عیب در نانولوله های کربنی تحت بارگذاری مکانیکی. مکانیک Mateiah و Struciuies پیشرفته. 12: 55-65.2005 Copyrighl © Tiylor & Francis Inc. ISSN: I.S37-6494 print/1537-6532 online DOf: 10.108O/1537649049CM92089

[5] {پرش به بالا:5.0} ^5.1 کلمن، جاناتان ن. بلاو، ورنر جی. دالتون، آلن بی، مونوز، ادگار؛ کالینز، استیو؛ کیم، بوگ جی. رازال، جوسلیتو؛ سلویج، مایلز; ویرو، گیلرمو؛ باگمن، ری اچ; بهبود خواص مکانیکی ورق های نانولوله کربنی تک جداره با استفاده از چسب های پلیمری. Appl.Phys.Lett., 2003, 82, 11, 1682-1684, AIP

[6] Tran,CD; هامفریز، دبلیو. اسمیت، اس ام; هوین، سی. لوکاس، اس. بهبود استحکام کششی نخ های نانولوله کربنی با استفاده از فرآیند ریسندگی اصلاح شده. کربن، 2009، 47، 11، 2662-2670

[7] S. Musso، M. Giorcelli، M. Pavese، S. Bianca، M. Rovere، A. Tagliaferro; بهبود خواص فیزیکی و مکانیکی ماکروسکوپی لایه‌های ضخیم نانولوله‌های کربنی چند جداره با عملیات بازپخت. در دسترس آنلاین 3 دسامبر 2007

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]